CN113183167A - 一种足式机器人的运动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能设备技术领域，公开了一种足式机器人的运动控制系统，包括中央处理器,中央处理器通过PWM输出接口连接执行模块,执行模块包括执行部件与执行机构，主控制器可连接至少四种控制模块。中央处理器为STM32单片机，型号为STM32F405RGT。与现有的技术相比，本发明具有如下优点：本发明的足式机器人的运动控制系统可通过多种控制模块提供多种操控方式，兼容性很强。因此本发明的足式机器人的运动控制系统是一种高性能、易用、多兼容、可快速定制的机器人控制系统。
Description
技术领域
本发明涉及智能设备技术领域，特别是涉及一种足式机器人的运动控制系统。
背景技术
现有技术中的足式机器人的运动控制系统性能低、使用不便、而且兼容性差、不能快速定制的机器人控制系统。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术的问题，提供了一种足式机器人的运动控制系统。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
一种足式机器人的运动控制系统，包括中央处理器,中央处理器通过PWM输出接口连接执行模块,执行模块包括执行部件与执行机构，主控制器可连接至少四种控制模块。
进一步的，控制模块为图形化编程模块，图形化编程模块通过UART串口连接中央处理器，图形化编程模块通过串口连接有语音识别单元、手势识别单元和图像识别单元，图形化编程模块通过语音识别单元、手势识别单元和图像识别单元的反馈信号生成的动作指令或储存的动作指令输入中央处理器后中央处理器通过PWM输出接口控制执行模块。
进一步的，图形化编程模块还通过UART串口连接通信模块，通信模块的指令具有最高优先级。
进一步的，图形化编程模块还连接有微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。
进一步的，控制模块为航模遥控器，航模遥控器通过SBUS串口连接中央处理器，航模控制器将指令输入中央处理器后中央处理器通过PWM输出接口控制执行模块。
进一步的，中央处理器连接有语音识别单元、手势识别单元、和图像识别单元、微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。
进一步的，控制模块为通信模块，通信模块通过UART串口与中央处理器连接,通信模块可通过将指令下发中央处理器控制执行模块,中央处理器连接有语音识别单元、手势识别单元、和图像识别单元、微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。进一步的，执行部件为无刷电机，无刷电机的电子调速器与中央控制器的PWM输出接口连接。
进一步的，执行部件为舵机，舵机与中央控制器的PWM输出接口连接。
进一步的，中央控制器通过12路PWM输出接口连接执行部件。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：本发明的足式机器人的运动控制系统可通过多种控制模块提供多种操控方式，兼容性很强。因此本发明的足式机器人的运动控制系统是一种高性能、易用、多兼容、可快速定制的机器人控制系统。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
图1是本发明的一种足式机器人的运动控制系统的整体结构示意图。
图2是本发明的一种足式机器人的运动控制系统的实施例1的系统结构示意图。
图3是本发明的一种足式机器人的运动控制系统的实施例2的系统结构示意图。
图4是本发明的一种足式机器人的运动控制系统的实施例3的系统结构示意图。
图5是本发明的一种足式机器人的运动控制系统的实施例4的系统结构示意图。
图6是本发明的一种足式机器人的运动步态算法的系统框图。
图中包括中央处理器1、图形化编程模块2、舵机301、无刷电机302、执行机构303、航模遥控器4和通信模块6。
具体实施方式
下面结合附图1-6和实施例1-4，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
如图2所示，一种足式机器人的运动控制系统，包括中央处理器1,中央处理器1通过PWM输出接口连接执行模块,执行模块包括执行部件与执行机构303，主控制器可连接至少四种控制模块。中央处理器1为STM32单片机，型号为STM32F405RGT。中央处理器1还支持ADC(STM32单片机中的部分引脚)输入和SDK输入。
优选的，控制模块为图形化编程模块2，图形化编程模块2通过UART串口(通用异步收发传输器，串口的一种)连接中央处理器1，图形化编程模块2通过串口连接有语音识别单元、手势识别单元和图像识别单元，图形化编程模块2通过语音识别单元、手势识别单元和图像识别单元的反馈信号生成的动作指令或储存的动作指令输入中央处理器1后中央处理器1通过PWM输出接口控制执行模块。
优选的，图形化编程模块2还连接有微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。
优选的，中央处理器1连接有语音识别单元、手势识别单元、和图像识别单元、微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。
优选的，执行部件为无刷电机302，无刷电机302的电子调速器与中央控制器的PWM输出接口连接。
优选的，中央控制器通过12路PWM输出接口连接执行部件。
本实施例中通过Micro：Bit图形化编程平台进行控制，中央处理器1和图形化编程模块2通过UART串口(通用异步收发传输器，串口的一种)连接，将动作指令储存在图形化编程模块2中或是由图形化编程模块2处理传感器反馈的信息形成相应的指令，再下发给主控制器，进而通过PWM输出接口来控制舵机301或者其他伺服电机，让执行机构303工作；支持UART(通用异步收发传输器，串口的一种)、SPI或IIC通信的模块(手势识别、语音识别或图像识别)均可作为功能扩展硬件连接图形化编程模块2工作；另外，微动开关、红外避障等模块也可连接图形化编程模块2进行工作。
如图6所示，该足式机器人的运动步态算法如下：
S1：首先在每个控制周期完成对机器人自身位置、姿态角、速度、足尖位置和雅克比矩阵的计算与状态估计，在完成对IMU(惯性传感器)数据的采集后进行中值滤波和低通滤波预处理，同时使用传感器标定参数对原始数据进行校正；
S2：使用获取的滤波数据进行姿态解算获取机器人的姿态角并得到机体坐标系下的加速度，为减少机器人与地面冲击对原始数据的影响进一步结合机器人模型和姿态解算结果观测机体角速度；
S3：使用运动学正解得到当前各足尖的位置并计算雅克比矩阵，通过对足端位置微分低通滤波并结合机器人模型得到其原始里程计数据；
S4：进一步，基于卡尔曼滤波器融合里程计和姿态计算数据估计机器人连续实时的速度和位置；
S5：基于机器人实时状态估计结合顶层控制命令对摆动相的落足点进行规划，并计算出跨腿过程中足尖运动轨迹，通过运动学逆解得到足尖轨迹命令对应的关节角度；
S6：对于支撑相则使用VMC(虚拟模拟)三通道控制算法得到对应的全局作用虚拟力，进一步采用分解式VMC(虚拟模拟)理念对全局作用力在各腿进行分解得到各关键所需力矩，考虑舵机301无法进行力矩控制使用伪力矩模型将VMC(虚拟模拟)控制输出转化为舵机301期望转速并更新当前舵机301期望角度；
S7：最终，针对不同的伺服系统将期望摇臂角度转化为对应的伺服控制输出，如舵机301则将期望角度转化为相应的PWM信号。在跨腿过程中，当检测到触地信号则该腿立即停止并切换至支撑相参加VMC反馈控制，当所有腿都着地后进行支撑相和摆动相的切换，从而完成一个步态周期。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：本发明的足式机器人的运动控制系统可通过多种控制模块提供多种操控方式，兼容性很强。因此本发明的足式机器人的运动控制系统是一种高性能、易用、多兼容、可快速定制的机器人控制系统。
实施例二
如图3所示，一种足式机器人的运动控制系统，包括中央处理器1,中央处理器1通过PWM输出接口连接执行模块,执行模块包括执行部件与执行机构303，主控制器可连接至少四种控制模块。中央处理器1为STM32单片机，型号为STM32F405RGT。中央处理器1还支持ADC(STM32单片机中的部分引脚)输入和SDK输入。
优选的，控制模块为图形化编程模块2，图形化编程模块2通过UART(通用异步收发传输器，串口的一种)串口连接中央处理器1，图形化编程模块2通过串口连接有语音识别单元、手势识别单元和图像识别单元，图形化编程模块2通过语音识别单元、手势识别单元和图像识别单元的反馈信号生成的动作指令或储存的动作指令输入中央处理器1后中央处理器1通过PWM输出接口控制执行模块。
优选的，图形化编程模块2还通过UART(通用异步收发传输器，串口的一种)串口连接通信模块6，通信模块6的指令具有最高优先级。
优选的，图形化编程模块2还连接有微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。
优选的，执行部件为舵机301，舵机301与中央控制器的PWM输出接口连接。
优选的，中央控制器通过12路PWM输出接口连接执行部件。
本实施例中通过ESP32-CAM开发平台和Micro：Bit图形化编程平台控制。主要硬件包括中央处理器1、通信模块6、图形化编程模块2以及其余功能扩展模块；中央处理器1和图形化编程模块2通过串口(通用异步收发传输器，串口的一种))连接，通信模块6(ESP32－CAM)通过串口(同为UART通用异步收发传输器，串口的一种通信)与图形化编程模块2连接。该足式机器人的运动控制系统可将动作指令储存在图形化编程模块2中或是由图形化编程模块2处理传感器反馈的信息形成相应的指令，再下发给主控制器，进而通过PWM输出接口来控制舵机301或者其他伺服电机，让执行机构303工作；支持UART(通用异步收发传输器，串口的一种)、SPI或IIC通信的模块(手势识别、语音识别或图像识别)均可作为功能扩展硬件连接图形化编程模块2工作；另外，微动开关、红外避障等模块也可连接图形化编程模块2进行工作。虽然由上位机储存在图形化编程模块2的指令可以控制机器人，但通过移动端APP发送给通信模块6的指令拥有更高的优先级，与图形化编程模块2处理功能扩展模块的反馈指令类似，只处理通信模块6所发的指令。
实施例三
如图4所示，一种足式机器人的运动控制系统，包括中央处理器1,中央处理器1通过PWM输出接口连接执行模块,执行模块包括执行部件与执行机构303，主控制器可连接至少四种控制模块。中央处理器1为STM32单片机，型号为STM32F405RGT。中央处理器1还支持ADC(STM32单片机中的部分引脚)输入和SDK输入。
优选的，控制模块为航模遥控器4，航模遥控器4通过SBUS串口(SBUS是Futaba公司定义的一种串口通信协议)连接中央处理器1，航模控制器将指令输入中央处理器1后中央处理器1通过PWM输出接口控制执行模块。
优选的，中央处理器1连接有语音识别单元、手势识别单元、和图像识别单元、微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。
优选的，执行部件为无刷电机302，无刷电机302的电子调速器与中央控制器的PWM输出接口连接。
优选的，中央控制器通过12路PWM输出接口连接执行部件。
本实施例中通过航模遥控器4控制。在该方案中主要硬件包括中央处理器1、航模遥控器4以及其余功能扩展模块。中央处理器1和航模遥控器4通过SBUS串口(SBUS是Futaba公司定义的一种串口通信协议)连接，由航模控制器将指令发给中央处理器1，进而通过PWM输出接口来控制舵机301或者其他伺服电机，让执行机构303工作；支持UART(通用异步收发传输器，串口的一种)通信的模块可作为功能扩展硬件连接主控制器工作。另外主控制器可以连接微动开关采集足式机器人的足底开关信息。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：本发明的足式机器人的运动控制系统可通过多种控制模块提供多种操控方式，兼容性很强。因此本发明的足式机器人的运动控制系统是一种高性能、易用、多兼容、可快速定制的机器人控制系统。
实施例四
如图5所示，一种足式机器人的运动控制系统，包括中央处理器1,中央处理器1通过PWM输出接口连接执行模块,执行模块包括执行部件与执行机构303，主控制器可连接至少四种控制模块。中央处理器1为STM32单片机，型号为STM32F405RGT。中央处理器1还支持ADC(STM32单片机中的部分引脚)输入和SDK输入。
优选的，控制模块为通信模块6，通信模块6通过UART(通用异步收发传输器，串口的一种)串口与中央处理器1连接,通信模块6可通过将指令下发中央处理器1控制执行模块,中央处理器1连接有语音识别单元、手势识别单元、和图像识别单元、微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。进一步的，执行部件为无刷电机302，无刷电机302的电子调速器与中央控制器的PWM输出接口连接。
优选的，中央处理器1连接有语音识别单元、手势识别单元、和图像识别单元、微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。中央处理器1与语音识别单元、手势识别单元、和图像识别单元、微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元呈拓扑结构连接。
在本实施例中,执行部件为无刷电机302，无刷电机302的电子调速器与中央控制器的PWM输出接口连接。
在另一实施例中,执行部件为舵机301，舵机301与中央控制器的PWM输出接口连接。
优选的，中央控制器通过12路PWM输出接口连接执行部件。
在本实施例中,该足式机器人的运动控制系统主要硬件包括中央处理器1、通信模块6(ESP32-CAM)以及其余功能扩展模块；主控制器和航模遥控器4通过串口(通用异步收发传输器，串口的一种))连接，由通信模块6将指令下发给主控制器，进而通过PWM输出接口来控制舵机301或者其他伺服电机，让执行机构303工作；支持UART(通用异步收发传输器，串口的一种)通信的模块可作为功能扩展硬件连接主控制器工作；另外主控制器可以连接微动开关采集足式机器人的足底开关信息。与现有的技术相比，本发明具有如下优点：本发明的足式机器人的运动控制系统可通过多种控制模块提供多种操控方式，兼容性很强。因此本发明的足式机器人的运动控制系统是一种高性能、易用、多兼容、可快速定制的机器人控制系统。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种足式机器人的运动控制系统，包括中央处理器,其特征在于:所述中央处理器通过PWM输出接口连接执行模块,所述执行模块包括执行部件与执行机构，所述主控制器可连接至少四种控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种足式机器人的运动控制系统，其特征在于:所述控制模块为图形化编程模块，所述图形化编程模块通过UART串口连接中央处理器，所述图形化编程模块通过串口连接有语音识别单元、手势识别单元和图像识别单元，所述图形化编程模块通过语音识别单元、手势识别单元和图像识别单元的反馈信号生成的动作指令或储存的动作指令输入中央处理器后所述中央处理器通过PWM输出接口控制执行模块。
3.根据权利要求2所述的一种足式机器人的运动控制系统，其特征在于:所述图形化编程模块还通过UART串口连接通信模块，所述通信模块的指令具有最高优先级。
4.根据权利要求2或3所述的一种足式机器人的运动控制系统，其特征在于:所述图形化编程模块还连接有微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元。
5.根据权利要求1所述的一种足式机器人的运动控制系统，其特征在于:所述控制模块为航模遥控器，所述航模遥控器通过SBUS串口连接中央处理器，所述航模控制器将指令输入中央处理器后所述中央处理器通过PWM输出接口控制执行模块。
6.根据权利要求5所述的一种足式机器人的运动控制系统，其特征在于:所述中央处理器连接有语音识别单元、手势识别单元、和图像识别单元、微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，所述微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。
7.根据权利要求1所述的一种足式机器人的运动控制系统，其特征在于:所述控制模块为通信模块，所述通信模块通过UART串口与所述中央处理器连接,所述通信模块可通过将指令下发所述中央处理器控制所述执行模块,所述中央处理器连接有语音识别单元、手势识别单元、和图像识别单元、微动开关单元、红外避障单元和超声波避障单元，所述微动开关单元可采集足式机器人的足底开关信息。
8.根据权利要求1所述的一种足式机器人的运动控制系统，其特征在于：所述执行部件为无刷电机，所述无刷电机的电子调速器与中央控制器的PWM输出接口连接。
9.根据权利要求1所述的一种足式机器人的运动控制系统，其特征在于：所述执行部件为舵机，所述舵机与中央控制器的PWM输出接口连接。
10.根据权利要求8或9所述的一种足式机器人的运动控制系统，其特征在于：所述中央控制器通过12路PWM输出接口连接执行部件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210730 |